皖南郎川河流域基流分割

2020-10-26董广博

科学技术创新 2020年30期

董广博

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009）

基流的一般定义为补给多数河流枯水期河川径流的流量，基流也是河流生物维持基本生存的必要条件之一[1]，从水文学的角度出发，认定基流为深层地下径流[2]，其中地下径流又可分为快速（浅层）和慢速（深层）[3]。近些年，全球的极端天气频繁出现，更使得水资源分配不平衡现象加剧，也使得可用水资源量一再发生变化。安徽南方地区地理环境相对复杂，气候变化较为明显，目前该地区经济发展差异性较大。境内水资源丰富，且主要以山区、丘陵区为主，对过境客水依赖程度高；近些年工农业发展迅速，农业发展的不合理不科学等情况突出，水质污染造成水质性缺水日益严重，水资源形势不容乐观。

为此，本选题以皖南郎川河流域为基础，基于目前相对较为成熟的多种基流分割方法，围绕郎川河流域基流分割后基流指数的稳定性，基流量的演变趋势以及对基流量的验证的结果，比选最优方法，在郎川河流域进行实施。

1 研究方法及数据资料

在基流分割领域，许多专家学者投入大量研究，得出多种较为成熟的基流分割方法。基于对基流的定义存在差异性及基流过程的复杂性，现阶段还没有某一种基流分割方法可以适用于的所有情况，因此针对不同地区选择基流分割方法至关重要。本章节总结目前较为成熟的多种方法，可以根据适用条件比选为郎川河流域基流分割提供依据。

1.1 水量平衡法

水量平衡法主要包括参数分割法和水文模拟法。参数分割法主要包括加里宁法和水库法。加里宁法来源于二十世纪五十年代苏联学者加里宁，二十世纪八十年代，有学者对该方法进行了改进，对改进后的方法进行总结，得出基流估算方程为：

Q下n-1——时刻n-1 的基流量（m3）；

Q下n——时刻n 的基流量（m3）；

B——比例系数，基流与径流的比值；

α——退水系数，地表水与地下水转换速率。

1.2 时间步长法

时间步长法利用计算机技术研究开发出相应程序，这些年来被广泛采用。运用时间步长法进行基流分割，首先要计算的是直接径流所持续的时间，目前计算该时间采用的是经验公式：

式中：

N——直接径流持续时间长度（d）；

A——流域面积（km2）；

时间间隔时长益取在3～11d，且应为2N 数值最为接近的奇数。

1.3 基流指数法

基流指数法又称为PART 法。是美国地质调查局提出的基流分割方法，后期设计出计算程序。此种方法主要围绕年内日径流量，基于一次降雨洪峰后期，在消退期进行基流分割。

1.4 平滑最小值法

该方法主要针对全年的日径流量数据组进行处理，将全年365 天按时间间隔划分成N 份，在每个时间间隔365/N 天中确定一个最小的qt组成数列，将每个qt与相邻时间段的最小值（qt-1，qt+1）进行比较，若满足kqt≤min（qt-1，qt+1），则将该点确定为一个节点，重复上文所述比较过程。

1.5 数字滤波法

数字滤波法计算基流分割原理源于信号分析，把径流过程进行处理，转化成数字信号。Lyne 和Hollick 于二十世纪七十年代末期提出Lyne－Hollick 滤波法，于1990 年应用于基流分割。在月径流的基础上，该滤波法可分割出月基流，采用1 次滤波进行滤波参数调试较为合理。

Chapman 在Lyne－Hollick 基础上，提出Chapman 滤波法，其计算公式为：

对目前水文工作者主要使用的方法进行统计，包括上文所述几种方法。

2 项目区概况

郎川河流域位于皖南山区，流域内地势高差起伏较大，以山地丘陵为主，域内河道天然冲积形成，河道坡降较大，河槽过流能力比较小。郎川河发源于广德县东南境内的牛山，牛山最高点为661.8m。卢村水库控制流域面积139km2。坝址以上分为东、西两支，东支来水面积为71km2，西支来水面积为68km2，均属高山区。河道两侧两山对峙坡陡流急，河道平均比降东支为10.2‰，西支为8.15‰，最高山峰海拔高程661.8m。

3 郎川河流域河川基流分割及估算

传统的基流分割方法以手工图解法为主，该方法操作复杂、主观性较强，且对于长系列数据处理较麻烦。基于科学技术的进步和水文计算手段的发展，基流分割方法越来越趋于简便快速，现在可利用计算机进行基流分割处理，目前使用较为成熟的方法包括滤波法、水量平衡法、时间步长法等。

目前不同的基流分割方法适用条件区别不够明显，且重合度较高，针对研究较少，数据资料缺乏的区域进行基流分割较为困难，且所得结果准确性无法保证。本文以皖南郎川河流域为例，探讨出适用性与可靠性较高的计算方法，为了解和分析该流域基流的演变提供技术支持。

3.1 基流分割结果分析

根据卢村水库1983-2012 年30 年径流资料，采用数字滤波法（F1、F2、F3、F4）、BFI 法（F、K）、HYSEP 法（FI、SI、LM）、加里宁等四类10 种方法进行基流分割，计算结果见表1。

表1 10 基流分割方法估算基流指数

为了进一步研究10 种基流分割结果之间的差异性，进而比选其稳定性，对计算结果进行数理统计计算，结果见表2，由表可知，数字滤波法的F2、F3 法求得极值较大；BFI 两种方法求得极值比基本一致；而数字滤波法F1、F4 法与HYSEP 方法三种方法计算结果的极值比较接近；加里宁法属于经验系数，根据径流量百分比所确定；由此可知数字滤波法F1、F4 法与HYSEP方法三种方法计算结果波动性较小，相较于前几种更为稳定。

3.2 径流过程线研究

采用Nash-Sutcliffe 方法对10 种基流分割方法所得结果进行验证，结果见表3。从表中可知，仅数字滤波法的FI 法，计算结果与实测值基本一致，效率系数为0.7，相对误差为9.33%，根据效率系数与相对误差相关要求对比可得：满足效率系数L 超过0.6，平均相对误差R 小于10%，因此由此可知数字滤波法的FI 法较为合理。

3.3 基流分割方法的验证

根据上文比选结果，郎川河流域基流分割采用数字滤波法F1 法较为合理，由于基流分割方法缺乏严格理论依据，不能排除计算结果的偶然误差，因此基流分割方法的选取必须进行多方论证。本章节根据郎川河流域附近地形、地势、气候条件，选取两个等较为相似区域典型封闭小流域，对所选取基流分割方法进行验证。

选取东津河流域沙埠站和西津河流域胡乐司站水文1968～2010 年水文资料，对年径流数据资料进行排频，选取具有代表性的枯水年、平水年、丰水年，对代表年进行基流分割计算，验证数字滤波法F1 法在皖南地区的适用性。由计算结果可知，东津河、西津河平均误差分别为5.32%、8.00%。计算所得结果与实测值基本接近，误差率平均在10%以内，基流分割结果与实际过程拟合性较好，进一步确认数字滤波法F1 法在郎川河流域的适用性。